DE102021126672A1 - Anode für eine sekundärbatterie, sekundärbatterie, die diese umfasst - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Anode für eine Sekundärbatterie bereit, die einen Anodenstromkollektor und eine auf dem Anodenstromkollektor gebildete Anodenaktivmaterialschicht umfasst und ein Aktivmaterial auf Siliziumbasis und ein leitfähiges Material, das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, enthält, wobei das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen Raman-R-Wert (eine D-Band-Spitzenintensität (Id) / eine G-Band-Spitzenintensität (Ig)) von 0,01 bis 0,1 aufweist.

Description

  • [HINTERGRUND DER ERFINDUNG]
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anode für eine Sekundärbatterie und eine Sekundärbatterie, die diese umfasst, und insbesondere eine Anode für eine Sekundärbatterie, die ein Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis enthält, und eine Sekundärbatterie, die derselben umfasst.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine Sekundärbatterie ist eine Batterie, die wiederholt geladen und entladen werden kann, und mit der Entwicklung der Informationskommunikations- und Anzeigeindustrie weit verbreitet bei tragbaren elektronischen Kommunikationsgeräten wie Camcordem, Mobiltelefonen und Notebook-PCs verwendet wird. Beispiele der Sekundärbatterie können eine Lithium-Sekundärbatterie, eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie und dergleichen umfassen. Unter diesen weist die Lithium-Sekundärbatterie eine hohe Betriebsspannung und eine hohe Energiedichte pro Gewichtseinheit auf und ist hinsichtlich der Ladegeschwindigkeit und des geringen Gewichts vorteilhaft. In dieser Hinsicht wurde die Lithium-Sekundärbatterie aktiv entwickelt und als Energiequelle eingesetzt.
  • Die Lithium-Sekundärbatterie kann eine Elektrodenanordnung umfassen, die eine Kathode, eine Anode und eine Trennmembran (Separator) umfasst; und einen Elektrolyten, in den die Elektrodenanordnung imprägniert ist. Die Lithium-Sekundärbatterie kann ferner beispielsweise ein taschenförmiges Außengehäuse umfassen, in dem die Elektrodenanordnung und der Elektrolyt untergebracht sind.
  • Da sich in letzter Zeit ein Anwendungsgebiet der Lithium-Sekundärbatterie von einem kleinen elektronischen Gerät auf ein großes Gerät, wie beispielsweise ein Hybridfahrzeug, erweitert hat, können ausreichende Kapazitäts- und Ausgabeeigenschaften durch die existierende Lithium-Sekundärbatterie nicht implementiert werden.
  • Im Fall eines Elektrofahrzeugs (EV), das nur von einer Batterie angetrieben wird, gibt es beispielsweise aufgrund der großen Energieverbrauchsrate und -menge eine Einschränkung beim Sicherstellen einer ausreichenden Fahrzeit als die vorhandene Sekundärbatterie.
  • Dementsprechend ist eine Entwicklung einer Lithium-Sekundärbatterie erforderlich, die in der Lage ist, die Eigenschaften einer hohen Rate und einer hohen Kapazität sicherzustellen.
  • Zum Beispiel offenbart die koreanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-0099748 eine Elektrodenanordnung für eine Lithium-Sekundärbatterie und eine diese enthaltende Lithium-Sekundärbatterie, aber es gibt eine Einschränkung beim Sicherstellen einer ausreichend hohen Rate und einer ausreichenden Kapazitätscharakteristik.
  • [Dokument zum Stand der Technik]
  • [Patentdokument]
  • Koreanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 10-2017-0099748
  • [ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG]
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anode für eine Sekundärbatterie mit stabilen elektrischen Eigenschaften bereitzustellen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sekundärbatterie bereitzustellen, die eine Anode mit stabilen elektrischen Eigenschaften enthält.
  • Um die obigen Aufgaben zu lösen, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Anode für eine Sekundärbatterie bereitgestellt, umfassend: einen Anodenstromkollektor; und eine Anodenaktivmaterialschicht, die auf dem Anodenstromkollektor gebildet ist und ein Aktivmaterial auf Siliziumbasis und ein leitfähiges Material umfasst, das eine einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, wobei das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen Raman-R-Wert (eine D-Band-Spitzenintensität (Id)/eine G-Band-Spitzenintensität (Ig)) von 0,01 bis 0,1 aufweist.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann ein Gehalt des Aktivmaterials auf Siliziumbasis 5 Gew.-% oder mehr, basierend auf einem Gesamtgewicht der Anodenaktivmaterialschicht, betragen.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann ein Gehalt des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens 0,02 bis 0,2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Anodenaktivmaterialschicht, betragen.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine Länge von 5 µm oder mehr aufweisen.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen Durchmesser von 1,2 bis 2 nm aufweisen.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann die Anodenaktivmaterialschicht umfassen: eine erste Anodenaktivmaterialschicht, die auf dem Anodenstromkollektor gebildet ist und ein erstes Aktivmaterial auf Siliziumbasis und ein erstes leitfähiges Material enthält, das das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst; und eine zweite Anodenaktivmaterialschicht, die auf der ersten Anodenaktivmaterialschicht gebildet ist und ein zweites Aktivmaterial auf Siliziumbasis und ein zweites leitfähiges Material enthält, das eine mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann ein Gehalt des ersten Aktivmaterials auf Siliziumbasis basierend auf einem Gesamtgewicht der ersten Anodenaktivmaterialschicht größer als ein Gehalt des zweiten Aktivmaterials auf Siliziumbasis basierend auf einem Gesamtgewicht der zweiten Anodenaktivmaterialschicht sein.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann der Gehalt des ersten Aktivmaterials auf Siliziumbasis 5 Gew.-% oder mehr betragen, basierend auf dem Gesamtgewicht der ersten Anodenaktivmaterialschicht, und der Gehalt des zweiten Aktivmaterials auf Siliziumbasis kann weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der zweiten Anodenaktivmaterialschicht, betragen.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann der Gehalt des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens 0,02 bis 0,2 Gew.-% betragen, basierend auf dem Gesamtgewicht der ersten Anodenaktivmaterialschicht, und der Gehalt des mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens kann 0,2 bis 0,5 % betragen, bezogen auf dem Gesamtgewicht der zweiten Anodenaktivmaterialschicht.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sekundärbatterie bereitgestellt, umfassend: die Anode für eine Sekundärbatterie; eine Kathode; und eine Trennmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Anodenaktivmaterialschicht das Aktivmaterial auf Siliziumbasis und das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einem Raman-R-Wert innerhalb eines spezifischen Bereichs umfassen. Wenn in diesem Fall ein elektrischer Kurzschluss in der Anode aufgrund des Anschwellens der Anode während des Ladens und Entladens der Batterie durch Einschließen des Aktivmaterials auf Siliziumbasis auftritt, kann eine Erhöhung des Widerstands aufgrund des elektrischen Kurzschlusses durch das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen minimiert werden. Dadurch können die Lebensdauereigenschaften der Sekundärbatterie verbessert werden, indem eine Wärmeerzeugung aufgrund des erhöhten Widerstands wirksam verhindert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Anode die erste Anodenaktivmaterialschicht einschließlich des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens und die zweite Anodenaktivmaterialschicht einschließlich des mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassen. In diesem Fall kann eine Erhöhung des Widerstands der Anode durch die erste Anodenaktivmaterialschicht mit dem einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen effektiv verhindert werden, und der Grenzflächenwiderstand kann durch die zweite Anodenaktivmaterialschicht mit dem mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen verringert werden. Dadurch kann die elektrochemische Sicherheit der Sekundärbatterie weiter verbessert werden.
  • Figurenliste
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verständlich, in denen:
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
    • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Anode für eine Sekundärbatterie gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • [DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG]
  • Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind jedoch lediglich ein Beispiel, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die als Beispiel beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt.
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Sekundärbatterie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Anode für eine Sekundärbatterie gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Bezugnehmend auf 1 kann eine Lithium-Sekundärbatterie 10 eine Elektrodenanordnung 150 und ein Gehäuse 160, in dem die Elektrodenanordnung 150 untergebracht ist, umfassen.
  • Die Elektrodenanordnung 150 kann eine Kathode 100, eine Anode 130 und eine Trennmembran 140, die zwischen der Kathode 100 und der Anode 130 angeordnet ist, umfassen.
  • Die Kathode 100 kann einen Kathodenstromkollektor 105 und eine Kathodenaktivmaterialschicht 110, die auf mindestens einer Oberfläche des Kathodenstromkollektors 105 angeordnet ist und ein Kathodenaktivmaterial umfasst, umfassen.
  • Das Kathodenaktivmaterial kann eine Verbindung, die Lithiumionen reversibel interkalieren und deinterkalieren kann, umfassen.
  • In einer Ausführungsform können die Kathodenaktivmaterialschichten 110 auf beiden Oberflächen (z. B. oberen und unteren Oberflächen) des Kathodenstromkollektors 105 gebildet sein. Zum Beispiel können die Kathodenaktivmaterialschichten 110 auf die oberen und unteren Oberflächen von jeweils den Kathodenstromkollektor 105 aufgetragen werden und können direkt auf die Oberflächen des Kathodenstromkollektors 105 aufgetragen werden.
  • Die Kathode 100 kann durch Beschichten des Kathodenstromkollektors 105 mit einer Kathodenaufschlämmung, gefolgt von Trocknen und Walzen (oder Pressen) derselben hergestellt werden. Die Kathodenaufschlämmung kann durch Mischen des Kathodenaktivmaterials mit einem Bindemittel, einem leitfähigen Material und/oder einem Dispergiermittel in einem Lösungsmittel, gefolgt von Rühren desselben, hergestellt werden.
  • Der Kathodenstromkollektor 105 kann ein Metallmaterial umfassen, das in einem Lade-/Entladespannungsbereich der Sekundärbatterie 10 keine Reaktivität aufweist und das Aufbringen und Anhaften des Elektrodenaktivmaterials erleichtert. Zum Beispiel kann der Kathodenstromkollektor 105 Edelstahl, Nickel, Aluminium, Titan, Kupfer, Zink oder eine Legierung davon umfassen und umfasst vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
  • Die Kathodenaktivmaterialschicht 110 kann ein Lithiummetalloxid als das Kathodenaktivmaterial umfassen. Zum Beispiel kann das Kathodenaktivmaterial ein Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxidpartikel umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Kathodenaktivmaterial ein auf Lithium (Li)-Nickel (Ni) basierendes Oxid umfassen. Zum Beispiel kann das Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxidpartikel Nickel umfassen und kann ferner mindestens eines von Kobalt (Co) und Mangan (Mn) enthalten.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Kathodenaktivmaterial oder das Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxidpartikel ferner ein Beschichtungselement oder ein Dotierungselement umfassen. Beispielsweise kann das Beschichtungselement oder Dotierungselement ein AI, Ti, Ba, Zr, Si, B, Mg, P, Sr, W, La oder eine Legierung davon oder ein Oxid davon umfassen. Diese können allein oder in Kombination von zwei oder mehreren davon verwendet werden. Das Kathodenaktivmaterial oder das Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxidpartikel wird durch die Beschichtung oder das Dotierungselement passiviert, wodurch die Stabilität und die Lebensdauer für das Eindringen eines externen Objekts weiter verbessert werden können.
  • In einigen Ausführungsformen können die Lithium-Übergangsmetall-Verbundoxidpartikel durch die nachstehende Formel 1 dargestellt werden. LixNi1-yMyO2+z [Formel 1]
  • In Formel 1 können x und y in einem Bereich von 0,9 ≤ x ≤ 1,2 und 0≤y≤0,7, liegen, und z kann in einem Bereich von -0,1≤z≤ 0,1 liegen. M kann mindestens ein Element, ausgewählt aus Na, Mg, Ca, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Co, Fe, Cu, Ag, Zn, B, AI, Ga, C, Si, Sn und Zr, sein.
  • Zum Beispiel kann Nickel (Ni) als ein Metall bereitgestellt werden, das einer Kapazität der Lithium-Sekundärbatterie zugeordnet ist. Je höher der Nickelgehalt, desto besser die Kapazität und Leistung der Lithium-Sekundärbatterie. Wird der Nickelgehalt jedoch zu stark erhöht, kann die Lebensdauer verringert werden und dies kann hinsichtlich der mechanischen und elektrischen Stabilität nachteilig sein. Kobalt (Co) kann beispielsweise ein Metall sein, das mit einer Leitfähigkeit oder einem Widerstand der Lithium-Sekundärbatterie verbunden ist. In einer Ausführungsform umfasst M Mangan (Mn), und Mn kann als Metall, das mit der mechanischen und elektrischen Stabilität der Lithium-Sekundärbatterie verbunden ist, bereitgestellt werden. Durch eine Wechselwirkung zwischen dem oben beschriebenen Nickel, Kobalt und Mangan können Kapazität, Leistung, niedriger Widerstand und Lebensdauerstabilität von der Kathodenaktivmaterialschicht 110 zusammen verbessert werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Nickelgehalt in dem Kathodenaktivmaterial 80 Mol-% oder mehr und vorzugsweise 85 Mol-% oder mehr, basierend auf einer Gesamtmolzahl von Übergangsmetallatomen, betragen. Dementsprechend ist es möglich, eine Lithium-Sekundärbatterie mit hoher Kapazität und hoher Leistung zu implementieren.
  • Zum Beispiel kann eine Kathodenaufschlämmung durch Mischen des Kathodenaktivmaterials mit einem Bindemittel, einem leitfähigen Material und/oder einem Dispergiermittel in einem Lösungsmittel, gefolgt von Rühren desselben, hergestellt werden. Die Kathodenaufschlämmung kann auf den Kathodenstromkollektor 105, gefolgt von einem Komprimieren und Trocknen, aufgetragen werden, um die Kathodenaktivmaterialschicht 110 herzustellen.
  • Das Bindemittel kann beispielsweise ein organisches Bindemittel wie Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer (PVDF-co-HFP), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylnitril, Polymethylmethacrylat usw., oder ein wässriges Bindemittel wie Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR) umfassen, und können zusammen mit einem Verdickungsmittel wie Carboxymethylcellulose (CMC) verwendet werden.
  • Als Bindemittel zum Bilden der Kathode kann beispielsweise ein Bindemittel auf PVDF-Basis verwendet werden. In diesem Fall kann eine Menge des Bindemittels zum Bilden der Kathodenaktivmaterialschicht verringert werden, wodurch die Leistung und die Kapazität der Sekundärbatterie verbessert wird.
  • Das leitfähige Material kann enthalten sein, um den Elektronentransfer zwischen den Aktivmaterialteilchen zu erleichtern. Zum Beispiel kann das leitfähige Material ein leitfähiges Material auf Kohlenstoffbasis wie Graphit, Ruß, Graphen oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder ein leitfähiges Material auf Metallbasis wie etwa Zinn, Zinnoxid, Titanoxid oder ein Perowskitmaterial wie z B. LaSrCoO3, und LaSrMnO3 usw., umfassen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Elektrode der Kathode 100 eine Dichte von 3,0 bis 3,9 g/cm3 aufweisen und bevorzugt von 3,2 bis 3,8 g/cm3.
  • Gemäß beispielhaften Ausführungsformen kann die Kathodenaktivmaterialschicht 110 eine Mehrschichtstruktur aufweisen.
  • Bezugnehmend auf den 1 und 2 kann die Anode 130 einen Anodenstromkollektor 125 und eine Anodenaktivmaterialschicht 120, die auf mindestens einer Oberfläche des Anodenstromkollektors 125 gebildet ist, umfassen. Gemäß beispielhaften Ausführungsformen können die Anodenaktivmaterialschichten 120 auf beiden Oberflächen (z. B. oberen und unteren Oberflächen) des Anodenstromkollektors 125 gebildet sein. Die Anodenaktivmaterialschichten 120 können jeweils auf die oberen und unteren Oberflächen des Anodenstromkollektors 125 aufgetragen werden. Zum Beispiel können die Anodenaktivmaterialschichten 120 in direkten Kontakt mit den Oberflächen des Anodenstromkollektors 125 kommen.
  • Der Anodenstromkollektor 125 kann beispielsweise Gold, Edelstahl, Nickel, Aluminium, Titan, Kupfer oder eine Legierung davon umfassen und umfasst vorzugsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung.
  • In einer Ausführungsform kann die Anodenaktivmaterialschicht 120 ein Anodenaktivmaterial, das Lithiumionen interkalieren und deinterkalieren kann, ein leitfähiges Material und ein Bindemittel, umfassen. Das aktive Anodenmaterial kann ein Aktivmaterial auf Siliziumbasis umfassen, und das leitfähige Material kann ein einwandiges Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfassen.
  • In einer Ausführungsform kann das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen Raman-R-Wert von etwa 0,01 bis 0,1 aufweisen. Der Raman-R-Wert kann als ein Spitzenintensitätsverhältnis (Id/Ig) definiert werden, das durch Messen einer Spitzenintensität (Ig) nahe eines G-Bandes (etwa 1.580 cm-1) und einer Spitzenintensität (Id) nahe eines D-Bandes (etwa 1.350 cm-1) in der Raman-Spektrumanalyse repräsentiert ist.
  • Wenn das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen den obigen Raman-R-Wertbereich erfüllt, weist die Anodenaktivmaterialschicht 120 einschließlich des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens weniger Defekte in der Struktur und einen hohen Kristallinitätsgrad auf, so dass die elektrische Leitfähigkeit weiter verbessert werden kann. Außerdem können, wenn das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine Länge und einen Durchmesser erfüllt, die unten beschrieben werden, die oben beschriebenen Effekte weiter verstärkt werden, so dass eine Sekundärbatterie mit ausgezeichneten elektrochemischen Eigenschaften implementiert werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen kann das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine Länge von 5 µm oder mehr, 20 µm oder mehr, oder 50 µm oder mehr aufweisen. In diesem Fall kann ein leitfähiges Materialnetzwerk durch das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen leicht gebildet werden, und ein Anstieg des Widerstands, der durch den elektrischen Kurzschluss verursacht wird, kann effektiver verhindert werden. Dadurch ist es möglich, eine Sekundärbatterie mit ausgezeichneten elektrochemischen Eigenschaften zu implementieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine Länge von 200 µm oder weniger oder 100 µm oder weniger aufweisen. Wenn ihre Länge den obigen Bereich erfüllt, kann eine Aggregation des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens in der Anodenaufschlämmung verhindert werden und kann eine bessere Dispergierkraft sichergestellt werden. Es ist jedoch nicht notwendigerweise darauf beschränkt, und eine Obergrenze der Länge des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens kann entsprechend den Typen des Anodenaktivmaterials, des Bindemittels und eines Dispersionsmediums, die während der Herstellung von der Anodenaufschlämmung gemischt werden, geeignet eingestellt werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Gehalt des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens etwa 0,02 bis 0,2 Gew.-%, basierend auf einem Gesamtgewicht der Anodenaktivmaterialschicht 120, betragen. Bevorzugter kann der Gehalt des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens etwa 0,05 bis 0,15 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht der Anodenaktivmaterialschicht 120 betragen.
  • Wenn beispielsweise der Gehalt des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens den obigen Bereich erfüllt, kann eine Erhöhung des Widerstands, die durch das Einschließen des Aktivmaterials auf Siliziumbasis in einer großen Menge verursacht wird, effektiv verhindert werden, und somit können die Lebensdauereigenschaften des Sekundärbatterie weiter verbessert werden.
  • In einer Ausführungsform kann das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen Durchmesser von 0,5 bis 10 nm, vorzugsweise 1 bis 5 nm und noch bevorzugter 1,2 bis 2 nm aufweisen. In diesem Fall ist es möglich, eine Erhöhung des Widerstands, die durch das Einschließen des Aktivmaterials auf Siliziumbasis in einer großen Menge verursacht wird, wirksamer zu verhindern.
  • In einer Ausführungsform können als leitfähiges Material weiterhin Materialien enthalten sein, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich denen sind, die zum Bilden der Kathode 100 verwendet werden.
  • Das Aktivmaterial auf Siliziumbasis kann SiOx (0<x<2) oder SiOx enthaltend eine Lithiumverbindung (0<x<2) umfassen. Die Li-Verbindung enthaltende SiOx kann Lithiumsilikat enthaltendes SiOx sein. Das Lithiumsilikat kann in mindestens einem Teil der SiOx-Partikel (0 < x < 2) vorhanden sein, beispielsweise kann es innerhalb und/oder auf einer Oberfläche der SiOx-Partikel (0 < x < 2) vorhanden sein. In einer Ausführungsform kann das Lithiumsilikat Li2SiO3, Li2Si2O5, Li4SiO4, LiaSi3O8 und dergleichen umfassen.
  • Das Aktivmaterial auf Siliziumbasis kann ferner eine Silizium-Kohlenstoff-Verbundverbindung, wie etwa Siliziumkarbid (SiC), eine Siliziumoxid-Kohlenstoff-Verbindung oder eine Silizium-Siliziumoxid-Kohlenstoff-Verbindung, umfassen.
  • In einer Ausführungsform kann ein Gehalt des Aktivmaterials auf Siliziumbasis 5 Gew.-% („Gew.-%“) oder mehr, basierend auf dem Gesamtgewicht der Anodenaktivmaterialschicht, betragen. Zum Beispiel kann der Gehalt des Aktivmaterials auf Siliziumbasis 5 Gew.-% bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Anodenaktivmaterialschicht, betragen. Wenn der Gehalt des Aktivmaterials auf Siliziumbasis den obigen Bereich erfüllt, können die Leistung und die Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie weiter verbessert werden, und eine Hochenergiezelle kann einfacher implementiert werden.
  • Beispielsweise wird beim Laden und Entladen der Batterie die Quellung des Aktivmaterials auf Siliziumbasis aufgrund wiederholter Deinterkalation und Interkalation von Lithiumionen erhöht, so dass ein elektrischer Kurzschluss zwischen den Anodenaktivmaterialien auftritt und dadurch die Stabilität der Batterie verringert werden kann. Im Fall der vorliegenden Erfindung kann jedoch die Erhöhung des Widerstands aufgrund des elektrischen Kurzschlusses durch das stabile Netzwerk aus leitfähigem Material, das durch das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildet wird, effektiv reduziert werden und die Lebensdauereigenschaften der Batterie kann noch verbessert werden.
  • In einer Ausführungsform kann das aktive Anodenmaterial ferner mindestens eines von einem aktiven Material auf Kohlenstoffbasis und einem aktiven Lithium-Verbundmaterial umfassen.
  • Das Aktivmaterial auf Kohlenstoffbasis kann ein Aktivmaterial auf Graphitbasis und ein Aktivmaterial auf Nicht-Graphitbasis umfassen. Das aktive Material auf Graphitbasis kann mindestens eines von natürlichem Graphit und künstlichem Graphit umfassen.
  • Das aktive Material auf Nicht- Graphitbasis kann mindestens eines von harten und weichen Kohlenstoffen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstofffasern, Koks und Pech umfassen.
  • Beispielsweise können synthetischer Graphit und harter Kohlenstoff primäre und/oder sekundäre Partikelformen umfassen.
  • Der künstliche Graphit hat im Vergleich zu natürlichem Graphit eine relativ überlegene Lebensdauer, und da der natürliche Graphit eine größere spezifische Oberfläche als die des künstlichen Graphits hat, hat er einen relativ geringen Widerstand, was im Hinblick auf die Leistungsverbesserung von Vorteil sein kann. Beispielsweise können der künstliche Graphit und der natürliche Graphit gemischt und verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform kann das kohlenstoffbasierte Material das nicht auf Graphit basierende aktive Material oder winzige Kohlenstoffpartikel umfassen. Die winzigen Kohlenstoffpartikel können Ruß, Super P und dergleichen umfassen. Die Hochgeschwindigkeitseigenschaften des Anodenaktivmaterials können durch das Material auf Kohlenstoffbasis verbessert werden.
  • In einer Ausführungsform kann eine Anodenaufschlämmung durch Mischen und Rühren des Anodenaktivmaterials mit einem Bindemittel, einem leitfähigen Material und/oder einem Dispergiermittel in einem Lösungsmittel hergestellt werden. Die Anodenaufschlämmung kann auf den Anodenstromkollektor 125 aufgebracht (beschichtet) werden, gefolgt von einem Komprimieren und Trocknen, um die Anodenaktivmaterialschicht 120 herzustellen.
  • Als Bindemittel zum Bilden der Anode können Materialien verwendet werden, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich denen sind, die zum Bilden der Kathode 100 verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Bindemittel zum Bilden der Anode 130 zum Beispiel Styroi-Butadien-Kautschuk (SBR) oder ein Acrylbindemittel zur Konsistenz mit dem Aktivmaterial auf Kohlenstoffbasis umfassen und kann zusammen mit einem Verdickungsmittel wie etwa Carboxymethylcellulose (CMC) verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform kann die Anodenaktivmaterialschicht 120 eine Dichte von 1,4 bis 1,9 g/cm3 aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Anode 130 eine Fläche (z. B. eine Kontaktfläche mit der Trennmembran 140) und/oder ein größeres Volumen als die/das der Kathode 100 aufweisen. Dadurch können sich Lithiumionen, die von der Kathode 100 erzeugt werden, sanft zu der Anode 130 bewegen, ohne in der Mitte ausgefällt zu werden, so dass die Leistungs- und Kapazitätseigenschaften weiter verbessert werden können.
  • Bezugnehmend auf 2 kann die Anodenaktivmaterialschicht 120 eine Mehrschichtstruktur aufweisen.
  • In einer Ausführungsform kann die Anodenaktivmaterialschicht 120 eine erste Anodenaktivmaterialschicht 122 umfassen, die auf dem Anodenstromkollektor 125 gebildet ist, und ein erstes Aktivmaterial auf Siliziumbasis und ein erstes leitfähiges Material, das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, enthält, und kann eine zweite Anodenaktivmaterialschicht 124 umfassen, die auf der ersten Anodenaktivmaterialschicht 122 gebildet ist und ein zweites Aktivmaterial auf Siliziumbasis und ein zweites leitfähiges Material umfasst, das mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen enthält.
  • Wenn beispielsweise die Anodenaktivmaterialschicht 120 die erste Anodenaktivmaterialschicht 122 und die zweite Anodenaktivmaterialschicht 124 mit unterschiedlichen Arten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, kann eine Erhöhung des Widerstands der Anode 130 aufgrund wiederholter Aufladung durch das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die in der ersten Anodenaktivmaterialschicht 122 enthalten ist, effektiv verhindert werden und ein Grenzflächenwiderstand zwischen der Trennmembran 140 und der Anode 130 kann durch das mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die in der zweiten Anodenaktivmaterialschicht 124 enthalten ist, verringert werden. Dementsprechend kann der Innenwiderstand der Sekundärbatterie verringert werden, so dass die Schnellladeeigenschaften und die Stabilität weiter verbessert werden können.
  • In einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der Gehalt des ersten Aktivmaterials auf Siliziumbasis basierend auf dem Gesamtgewicht der ersten Anodenaktivmaterialschicht 122 größer sein als der Gehalt des zweiten Aktivmaterials auf Siliziumbasis basierend auf dem Gesamtgewicht der zweiten Anodenaktivmaterialschicht 124.
  • Gemäß einigen beispielhaften Ausführungsformen kann der Gehalt des ersten Aktivmaterials auf Siliziumbasis, basierend auf dem Gesamtgewicht der ersten Anodenaktivmaterialschicht 122, 5 Gew.-% oder mehr betragen und der Gehalt des zweiten Aktivmaterials auf Siliziumbasis kann weniger als 5 Gew.-%, basierend auf dem Gesamtgewicht der zweiten Anodenaktivmaterialschicht 124, betragen.
  • Wenn beispielsweise die Gehaltsbereiche des ersten Aktivmaterials auf Siliziumbasis und des zweiten Aktivmaterials auf Siliziumbasis die obigen Bedingungen oder die obigen Bereiche erfüllen, wird der Gehalt des ersten Aktivmaterials auf Siliziumbasis erhöht, selbst wenn das Quellen von der ersten Anodenaktivmaterialschicht 122 erhöht ist, ist es möglich, eine Erhöhung des Widerstands aufgrund des elektrischen Kurzschlusses durch das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die in der ersten Anodenaktivmaterialschicht 122 enthalten ist, effektiv zu verhindern.
  • Da außerdem der Gehalt des zweiten Aktivmaterials auf Siliziumbasis, das in der zweiten Anodenaktivmaterialschicht 124 enthalten ist, geringer als der Gehalt des ersten Aktivmaterials auf Siliziumbasis ist, kann ein elektrischer Kurzschluss aufgrund des Schwellens der zweiten Anodenaktivmaterialschicht 124 effektiv verhindert werden, auch unter Einbeziehung des mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens, und der Grenzflächenwiderstand mit der Trennmembran 140 kann durch das mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen verringert werden.
  • In einer Ausführungsform kann der Gehalt des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens 0,02 bis 0,2 Gew.-% betragen, basierend auf dem Gesamtgewicht der ersten Anodenaktivmaterialschicht 122, und der Gehalt des mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens kann 0,2 bis 0,5 Gew.-%, basierend auf der zweiten Anodenaktivmaterialschicht 124, betragen.
  • Wenn die Inhalte des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens und des mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens die obigen Bereiche erfüllen, erhöht sich der Widerstand aufgrund des Anschwellens der Anode 130 und der Grenzflächenwiderstand zwischen der Anode 130 und der Trennmembran 140 kann verhindert werden, so dass die Schnellladeeigenschaften und die Lebensdauereigenschaften der Sekundärbatterie weiter verbessert werden können.
  • In einer Ausführungsform können die gleiche Länge und der gleiche Durchmesser des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, wie oben beschrieben, wie sie sind, darauf aufgebracht werden.
  • In einer Ausführungsform kann das mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine Länge von 1 bis 100 µm und bevorzugter 10 bis 50 µm aufweisen.
  • In einer Ausführungsform kann das mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine Länge von 5 bis 50 nm, vorzugsweise 5 bis 20 nm und noch bevorzugter 8 bis 17 nm aufweisen.
  • Wenn die Länge und der Durchmesser des mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens die obigen Bereiche erfüllen, kann eine Erhöhung des Grenzflächenwiderstands mit der Trennmembran 140 effektiver verhindert werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Länge des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens größer sein als die Länge des mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens. In diesem Fall können die elektrochemischen Eigenschaften der Sekundärbatterie stabiler sichergestellt werden.
  • In einer Ausführungsform kann die erste Anodenaktivmaterialschicht 122 durch Beschichten des Anodenstromkollektors 125 mit der ersten Anodenaufschlämmung, die das erste Aktivmaterial auf Siliziumbasis umfasst, hergestellt werden, wobei das erste leitfähige Material das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, ein Bindemittel und ein Lösungsmittel enthält, gefolgt von Trocknen und Walzen derselben. Außerdem kann die zweite Anodenaktivmaterialschicht 124 durch Beschichten der ersten Anodenaktivmaterialschicht 122 mit der zweiten Anodenaufschlämmung, die das zweite Aktivmaterial auf Siliziumbasis umfasst, hergestellt werden, wobei das zweite leitfähige Material das mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, ein Bindemittel und ein Lösungsmittel, enthält, gefolgt von Trocknen und Walzen derselben.
  • In einer Ausführungsform wird die erste Anodenaufschlämmung auf den Anodenstromkollektor 125 aufgebracht, und die zweite Anodenaufschlämmung kann ferner auf die aufgebrachte erste Anodenaufschlämmung aufgebracht werden, und dann können die aufgebrachte erste Anodenaufschlämmung und die zweite Anodenaufschlämmung getrocknet und gerollt werden, um die erste Anodenaktivmaterialschicht 122 und die zweite Anodenaktivmaterialschicht 124 vorzubereiten.
  • In einigen Ausführungsformen kann ein Beladungsgewichtsverhältnis der zweiten Anodenaufschlämmung zu der ersten Anodenaufschlämmung 0,25 bis 1,25 und vorzugsweise 0,5 bis 1 betragen.
  • Bezugnehmend auf 1 kann die Trennmembran 140 zwischen der Kathode 100 und der Anode 130 angeordnet sein. Die Trennmembran 140 kann einen porösen Polymerfilm umfassen, der aus einem Polyolefinpolymer wie Ethylenhomopolymer, Propylenhomopolymer, Ethylen/Buten-Copolymer, Ethylen/Hexen-Copolymer, Ethylen/Methacrylat-Copolymer, hergestellt ist.
  • Die Trennmembran 140 kann einen Vliesstoff aus Glasfaser mit einem hohen Schmelzpunkt, Polyethylenterephthalat-Faser oder dergleichen umfassen.
  • Die Trennmembran 140 kann sich in der zweiten Richtung zwischen der Kathode 100 und der Anode 130 erstrecken und kann in einer Dickenrichtung der Lithium-Sekundärbatterie gefaltet und gewickelt sein. Mehrere Kathoden 100 und Anoden 130 können in Dickenrichtung laminiert sein, wobei die Trennmembran 140 dazwischen angeordnet ist.
  • Eine Elektrodenzelle wird durch die Kathode 100, die Anode 130 und die Trennmembran 140 gebildet, und eine Vielzahl von Elektrodenzellen wird laminiert, um beispielsweise die Elektrodenanordnung 150 zu bilden. Die Elektrodenanordnung 150 kann durch Wickeln, Laminieren oder Falten (z. B. Z-Falten) usw., der Trennmembran 140 gebildet werden.
  • Die Elektrodenanordnung 150 ist in dem Gehäuse 160 untergebracht und ein Elektrolyt kann zusammen in das Gehäuse 160 eingespritzt werden. Das Gehäuse 160 kann beispielsweise die Form eines Beutels, einer Dose oder dergleichen aufweisen.
  • Als Elektrolyt kann gemäß Ausführungsbeispielen ein nichtwässriger Elektrolyt verwendet werden.
  • Der nichtwässrige Elektrolyt umfasst ein Lithiumsalz eines Elektrolyten und ein organisches Lösungsmittel, und das Lithiumsalz wird beispielsweise durch Li+X- dargestellt, und als Anion (X-) des Lithiumsalzes, F-, Cl-, Br, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N- CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- und (CF3CF2SO2)2N-, usw., können beispielhaft genannt werden.
  • Als organisches Lösungsmittel können beispielsweise Propylencarbonat (PC), Ethylencarbonat (EC), Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylpropylcarbonat, Dipropylcarbonat, Dimethylsulfoxid, Acetonitril, Dimethoxyethan, Diethoxyethan, Vinylencarbonat, Sulforan, γ-Butyrolacton, Propylensulfit, Tetrahydrofuran und dergleichen verwendet werden. Diese Verbindungen können allein oder in Kombination von zwei oder mehreren davon verwendet werden.
  • Elektrodenlaschen (eine Kathodenlasche und eine Anodenlasche) ragen jeweils von dem Kathodenstromkollektor 105 und dem Anodenstromkollektor 125 vor, die zu jeder Elektrodenzelle gehören, und können sich zu einer Seite des Außengehäuses 160 erstrecken. Die Elektrodenlaschen können mit der einen Seite des Außengehäuses 170 verschmolzen werden, um Elektrodenleitungen (eine Kathodenleitung und eine Anodenleitung), die sich zu einer Außenseite des Außengehäuses 170 erstrecken oder zu dieser freiliegen, zu bilden.
  • Die Kathodenleitung und die Anodenleitung können auf derselben Seite der Lithium-Sekundärbatterie oder des Gehäuses 160 ausgebildet sein oder können auf einander gegenüberliegenden Seiten ausgebildet sein.
  • Beispielsweise kann der Kathodenanschluss an einem Ende des Gehäuses 160 ausgebildet sein und der Anodenanschluss kann an dem anderen Ende des Gehäuses 160, das dem einen Ende zugewandt ist, ausgebildet sein.
  • Die Lithium-Sekundärbatterie kann beispielsweise in einer zylindrischen Form unter Verwendung einer Dose, einer quadratischen Form, einer Beutelform oder einer Münzform hergestellt werden.
  • Im Folgenden werden spezifische experimentelle Beispiele vorgeschlagen, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtem. Die folgenden Beispiele dienen jedoch nur der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung, und der Fachmann wird offensichtlich verstehen, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs und Geistes der vorliegenden Erfindung möglich sind. Solche Änderungen und Modifikationen sind ordnungsgemäß in den beigefügten Ansprüchen enthalten.
  • Beispiele 1 bis 6 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3
  • (1) Vorbereitung der Kathode
  • Eine Kathodenaufschlämmung wurde hergestellt, indem Li[Ni0.88Co0.09Mn0.03]O2 als aktives Kathodenmaterial, Ruß als leitfähiges Material und Polyvinylidenfluorid (PVdF) als Bindemittel in einem Gewichtsverhältnis von 98,5:0,5:1 gemischt wurden.
  • Die hergestellte Kathodenaufschlämmung wurde gleichförmig auf eine Aluminiumfolie aufgetragen, gefolgt von der Durchführung von Trocknungs- und Walzprozessen, um eine Kathode herzustellen.
  • (2) Vorbereitung der Anode
  • Ein Anodenaktivmaterial, ein leitfähiges Material und ein Bindemittel wurden gemäß der Zusammensetzung und dem Gewichtsverhältnis gemäß der Tabelle 1 unten gemischt und in Wasser dispergiert, um eine Anodenaufschlämmung herzustellen.
  • Als leitfähiges Material kann ein einwandiges Kohlenstoff-Nanoröhrchen (OCSiAI Co., SW-CNT, mit einer Länge von mehr als 5 µm und einem Durchmesser von 1,2 bis 2 nm) oder ein mehrwandiges Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MW-CNT, mit einer Länge von 10 bis 50 µm und einem Durchmesser von 8 bis 17 nm) verwendet werden.
  • Die in der Tabelle 1 unten gezeigten Raman-R-Werte von SW-CNT und MW-CNT bedeuten ein Spitzenintensitätsverhältnis (Id/Ig), das durch die Messung einer G-Band (ca. 1.580 cm-1) Spitzenintensität (Ig) und einer D-Band (ca 1.350 cm-1) Peakintensität (Id) in der Raman-Spektrumanalyse, dargestellt wird. Die Raman-R-Werte wurden mit dem inVia von Renishaw gemessen.
  • Die Anodenaufschlämmung wurde auf einen dünnen Kupferfilm (Dicke: 6 µm) aufgetragen, gefolgt von Trocknen und Walzen auf eine Dichte von 1,7 g/cm3, um so eine Anode mit einer Dicke von 133 µm herzustellen. [TABELLE 1]
    Bereich Leitfähiges Material Anodenactivmaterial Binder
    Typ R-Wert Gehalt (Gew.%) Gehalt (Gew.%) an künstlichem Graphit Gehalt (Gew.%) von SiOx (0<x<2) SBR/CMC-Gehalt (1,5:1,3 Gewichtsverhältnis) (Gew.-%)
    Beispiel 1 SW-CNT 0.03 0.1 91.1 6 2.8
    Beispiel 2 SW-CNT 0.02 0.02 91.18 6 2.8
    Beispiel 3 SW-CNT 0.03 0.2 91.0 6 2.8
    Beispiel 4 SW-CNT 0.03 0.01 91.19 6 2.8
    Beispiel 5 SW-CNT 0.03 0.21 90.99 6 2.8
    Beispiel 6 SW-CNT 0.1 0.1 91.1 6 2.8
    Vergleichsbeispiel 1 MW-CNT 1.1 0.5 90.7 6 2.8
    Vergleichsbeispiel 2 SW-CNT 0.2 0.1 91.1 6 2.8
    Vergleichsbeispiel 3 MW-CNT 1.1 0.5 97.50 - 2.8
  • (3) Herstellung von Sekundärbatterie
  • Die Kathode und die Anode wurden mit einer dazwischen angeordneten Trennmembran aus Polyethylen (PE) (13 µm) angeordnet, um eine Elektrodenzelle zu bilden, und die Elektrodenzellen wurden laminiert, um eine Elektrodenanordnung herzustellen. Die Elektrodenanordnung 150 war in einem Beutel untergebracht und es wurden Elektrodenstreifenteile verschmolzen. Danach wurde ein Elektrolyt eingespritzt und dann versiegelt, um eine Sekundärbatterie herzustellen.
  • Nach der Herstellung einer 1M LiPF6-Lösung mit einem gemischten Lösungsmittel aus Ethylencarbonat/Ethylmethylcarbonat/Diethylcarbonat (EC/EMC/DEC, 25/45/30; Volumenverhältnis), wurden dazu 1 Gew.% Vinylencarbonat (VC), bezogen auf eine Gesamtmenge des Gewichts des Elektrolyten, 0,5 Gew.% von 1,3-Propensulton (PRS) und 0,5 Gew.% Lithiumbis(oxalato)borat (LiBOB) zugegeben, um sie als Elektrolytlösung zu verwenden.
  • Beispiele 7 bis 10
  • Künstlicher Graphit, SiOx (0<x<2), das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SW-CNT) und das SBR/CMC wurden in einem Gewichtsverhältnis von 89,1:8:0,1:2,8 gemischt und in Wasser dispergiert, um eine erste Anodenaufschlämmung herzustellen.
  • Dann wurden ein Anodenaktivmaterial, ein leitfähiges Material und ein Bindemittel gemäß der Zusammensetzung und dem Gewichtsverhältnis von der Tabelle 2 unten gemischt und in Wasser dispergiert, um eine zweite Anodenaufschlämmung herzustellen.
  • Die erste Anodenaufschlämmung wurde auf einen dünnen Kupferfilm (Dicke: 6 µm) aufgetragen, und dann wurde weiter eine zweite Anodenaufschlämmung auf die aufgebrachte erste Anodenaufschlämmung aufgetragen. Das Beladungsgewichtsverhältnis der ersten Anodenaufschlämmung und der zweiten Anodenaufschlämmung betrug 1:1.
  • Danach wurden die aufgebrachte erste Anodenaufschlämmung und die zweite Anodenaufschlämmung getrocknet und dann auf eine Dichte von 1,7 g/cm3 gewalzt, um so eine Anode mit einer Dicke von 133 µm herzustellen. [TABELLE 2]
    Bereich Leitfähiges Material Anodenactivmaterial Binder
    Typ R-Wert Gehalt (Gew.%) Gehalt (Gew.%) an künstlichem Graphit Gehalt (Gew.%) von SiOx (0<x<2) SBR/CMC-Gehalt (1,5:1,3 Gewichtsverhältnis) (Gew.-%)
    Beispiel 7 MW-CNT 1.1 0.5 92.7 4 2.8
    Beispiel 8 MW-CNT 1.1 0.2 93.0 4 2.8
    Beispiel 9 MW-CNT 1.1 0.1 93.1 4 2.8
    Beispiel 10 SW-CNT 0.03 0.1 93.1 4 2.8
  • Experimentelles Beispiel
  • (1) Elektrodenwiderstand (Ωcm)
  • Die Elektrodenwiderstände (Ωcm) der Anoden der Beispiele und der Vergleichsbeispiele wurden gemessen.
  • Als Messausrüstung wurde eine hioki XF057-Probeeinheit verwendet, und die Messbedingungen waren in einem Bereich von 100 µA Strom und 0,5 V Spannung, und die Anzahl der Stiftkontakte betrug 500.
  • (2) Bewertung des Schnellzyklus bei Raumtemperatur
  • Die Lithium-Sekundärbatterien gemäß den Beispielen und den Vergleichsbeispielen wurden wiederholt 200-mal Lade-/Entladezyklen mit schrittweisen Stromwerten (2C, 1,75C, 1,5C, 1,25C, 1C, 0,75C und 0,5C) in einem Intervall von 0,25C von 2C auf 0,5C bei Raumtemperatur (25°C), durch Aufladen unter 4,2 V Abschaltbedingungen, unterzogen, gefolgt von 10 Minuten Stehenlassen und Entladen mit konstantem Strom von 0,5C unter 2,5 V Abschaltbedingungen, gefolgt von 10 Minuten Belassen.
  • Ein prozentualer Wert (A2/A1 x 100%) einer Entladekapazität A2, die nach 200-maligem Durchführen des Lade-/Entladezyklus gemessen wurde, bis zu einer Entladekapazität A1, die nach einmaligem Ausführen des Lade-/Entladezyklus gemessen wurde, wurde berechnet, und die Ergebnisse davon sind in der Tabelle 3 unten gezeigt.
  • (3) Auswertung des Zyklus bei hoher Temperatur (45°C)
  • Die Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele und der Vergleichsbeispiele wurden wiederholt 200-mal Lade-/Entladezyklen durch Laden mit einem konstanten Strom von 0,3C unter 4,2 V und 0,05C Abschaltbedingungen unterzogen, gefolgt von 10 Minuten Stehenlassen und Entladen mit konstantem Strom von 0,5C unter 2,5V Abschaltbedingungen, gefolgt von 10 Minuten Belassen.
  • Ein Prozentwert (B2/B1 x 100%) einer Entladekapazität B2, die nach 200-maligem Durchführen des Lade-/Entladezyklus gemessen wurde, bis zu einer Entladekapazität B1, die nach einmaligem Ausführen des Lade-/Entladezyklus gemessen wurde, wurde berechnet, und die Ergebnisse davon sind in der Tabelle 3 unten gezeigt.
  • (4) Bewertung der Lagerung bei hoher Temperatur (60°C)
  • Die Lithium-Sekundärbatterien der Beispiele und der Vergleichsbeispiele wurden auf SOC (Ladezustand) 100% mit einem konstanten Strom von 0,3C unter 4,2V und 0,05C Abschaltbedingungen aufgeladen und dann bei einer hohen Temperatur von 60°C für 8 Wochen gelagert.
  • Ein prozentualer Wert (C2/C1 x 100%) einer Entladungskapazität C2, gemessen nach Lagerung bei hoher Temperatur, zu einer Entladungskapazität C1, gemessen vor Lagerung bei hoher Temperatur, wurde berechnet, und die Ergebnisse davon sind in der Tabelle 3 unten gezeigt. [TABELLE 3]
    Bereich Elektrodenwiderstand (Ωcm) Bewerteter Schnellzyklus (%) bei Raumtemperatur (25°C) Bewerteter Zyklus (%) bei hoher Temperatur (45°C) Bewertete Lagerung (%) bei hoher Temperatur (60°C, 8 Wochen)
    Beispiel 1 0.030 87 95 96
    Beispiel 2 0.031 84 93 93
    Beispiel 3 0.034 86 96 97
    Beispiel 4 0.058 81 88 85
    Beispiel 5 0.047 80 91 82
    Beispiel 6 0.065 81 90 89
    Beispiel 7 0.040 94 93 95
    Beispiel 8 0.038 92 94 93
    Beispiel 9 0.032 93 93 92
    Beispiel 10 0.036 87 94 95
    Vergleichsbeispiel 1 0.078 79 86 90
    Vergleichsbeispiel 2 0.052 80 84 88
    Vergleichsbeispiel 3 0.043 76 92 94
  • Unter Bezugnahme auf die obige Tabelle 3 kann bestätigt werden, dass die Lithium-Sekundärbatterien gemäß den Beispielen ausgezeichnete Wirkungen bei den schnellen Zykluseigenschaften bei Raumtemperatur, den Zykluseigenschaften bei hoher Temperatur und den Lagereigenschaften bei hoher Temperatur aufweisen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Kathode
    105
    Kathodenstromkollektor
    110
    Kathodenaktivmaterialschicht
    130
    Anode
    125
    Anodenstromkollektor
    120
    Anodenaktivmaterialschicht
    122
    Erste Anodenaktivmaterialschicht
    124
    Zweite Anodenaktivmaterialschicht
    140
    Trennmembran
    150
    Elektrodenanordnung
    160
    Gehäuse

Claims (10)

  1. Anode für eine Sekundärbatterie, umfassend: einen Anodenstromkollektor; und eine Anodenaktivmaterialschicht, die auf dem Anodenstromkollektor gebildet ist und ein Aktivmaterial auf Siliziumbasis und ein leitfähiges Material, das eine einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, enthält, wobei das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen Raman-R-Wert (eine D-Band-Spitzenintensität (Id)/eine G-Band-Spitzenintensität (Ig)) von 0,01 bis 0,1 aufweist.
  2. Anode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei ein Gehalt des Aktivmaterials auf Siliziumbasis, bezogen auf das Gesamtgewicht der Anodenaktivmaterialschicht, 5 Gew.-% oder mehr, beträgt.
  3. Anode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei ein Gehalt des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhres 0,02 bis 0,2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Anodenaktivmaterialschicht, beträgt.
  4. Anode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen eine Länge von 5 µm oder mehr aufweist.
  5. Anode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen einen Durchmesser von 1,2 bis 2 nm aufweist.
  6. Anode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei die Anodenaktivmaterialschicht umfasst: eine erste Anodenaktivmaterialschicht, die auf dem Anodenstromkollektor gebildet ist und ein erstes Aktivmaterial auf Siliziumbasis und ein erstes leitfähiges Material, das das einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, enthält; und eine zweite Anodenaktivmaterialschicht, die auf der ersten Anodenaktivmaterialschicht gebildet ist und ein zweites Aktivmaterial auf Siliziumbasis und ein zweites leitfähiges Material, das ein mehrwandiges Kohlenstoff-Nanoröhrchen umfasst, enthält.
  7. Anode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 6, wobei ein Gehalt des ersten Aktivmaterials auf Siliziumbasis basierend auf einem Gesamtgewicht der ersten Anodenaktivmaterialschicht größer als ein Gehalt des zweiten Aktivmaterials auf Siliziumbasis basierend auf einem Gesamtgewicht der zweiten Anodenaktivmaterialschicht ist.
  8. Anode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 6, wobei der Gehalt des ersten Aktivmaterials auf Siliziumbasis 5 Gew.-% oder mehr, bezogen auf das Gesamtgewicht der ersten Anodenaktivmaterialschicht, beträgt und der Gehalt des zweiten Aktivmaterials auf Siliziumbasis weniger als 5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der zweiten Anodenaktivmaterialschicht, beträgt.
  9. Anode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 6, wobei der Gehalt des einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchens 0,02 bis 0,2 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der ersten Anodenaktivmaterialschicht, beträgt und der Gehalt des mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhres 0,2 bis 0,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der zweiten Anodenaktivmaterialschicht, beträgt.
  10. Sekundärbatterie, umfassend: die Anode für eine Sekundärbatterie nach Anspruch 1; eine Kathode; und eine Trennmembran, die zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist.
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